DE3521973C1 - Unterstützungssystem für Teleskopspiegel - Google Patents

Description

• Das erfindungsgemäße Unterstützungssystem geht von der Überlegung aus, daß die Grundlast des Spiegels für das aktive Unterstützungssystem ohne Bedeutung ist und nicht gemessen zu werden braucht. Die Grundlast kann deshalb direkt von einer passiven astatischen Lagerung aufgenommen werden. Geregelt und gemessen werden vielmehr nur die auf die Stützen des passiven Systems durch die Aktuatoren des aktiven Systems aufgebrachten Zusatzkräfte.
• Die für den aktiven Teil des Unterstützungssystems benötigte Steuer- bzw. Regeleinrichtung besitzt deshalb einen sehr viel größeren Dynamikbereich, da dieser nicht von der Güte des für die Kraftmessung verwendeten Sensors abhängt.
• Es ist zweckmäßig als Aktuatoren Linearmotoren einzusetzen. Die vom Anker eines solchen Motors ausgeübten Kraft ist direkt dem Spulenstrom proportional, so daß auf einen separaten Sensor zur Kraftmessung verzichtet werden kann.
• Vorteilhaft ist außerdem die passive Lagerung als lastverzweiges System ausgebildet. bei dem jeweils mehrere Stützpunkte hydraulisch miteinander verbunden sind. Es ist dann möglich durch Einführung von ggf. einstellbaren Drosseln in den Verbindungsleitungen den Druckmittelausgleich zwischen den einzelnen Stützpunkten der passiven Lagerung so zu dämpfen, daß Regelschwingungen der aktiven Lagerung ausgeschlossen sind.
• Weitere Vorteile der Erfindung sind der nachstehenden Beschreibung des in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels entnehmbar. Darin ist Fig. 1 eine detailliertere Schnittdarstellung der Teile eines Stützpunkts, durch die die aktive und die passive Lagerung des erfindungsgemäßen Unterstützungssystems gebildet werden; F i g. 2 eine Prinzipskizze, die die Verteilung der Stützpunkte eines achsialen Unterstützungssystems auf der Rückseite eines Spiegels zeigt.
• In Fig. 2 ist mit 15 der zu lagernde Spiegelkörper bezeichnet. Dieser Spiegelkörper wird bezüglich seiner achsialen Gewichtskomponente von 27 Stützen getragen, von denen 18 unter gleichem Abstand auf einem äußeren Kreis und 9 auf einem inneren Kreis mit kleinerem Durchmesser angeordnet sind. Die Stützen sind Teil eines hydraulischen astatischen Entlastungssystems, wobei die den Stützen zugeordneten Druckkammern zu drei Gruppen zusammengefaßt sind, in denen die Druckkammern durch Leitungen 5, 6 miteinander verbunden sind. Die Gruppen sind jeweils einem der drei 120°-Sektoren A, Bund C des Spiegels 15 zugeordnet. Infolge dieser an sich bekannten Aufteilung ist die hydraulische Lagerung indifferent gegenüber Spiegelkippungen.
• Jedem der 27 Stützpunkte wird außerdem mit Hilfe einer Regeleinheit 18 eine Zusatzkraft vorausberechneter Größe überlagert. Dazu wird auf F i g. 1 verwiesen, in der die Verhältnisse für einen Stützpunkt detailliert dargestellt sind: Ein solcher Stützpunkt besteht aus einem Gehäuse 1, das durch eine Membran 2 in eine obere Kammer 3 und eine untere Kammer 4 geteilt wird. Die Kammern sind mit einer hydraulischen Flüssigkeit gefüllt, die zum Zwecke des Druckausgleichs durch Rohre 5, 6 mit den entsprechenden Kammern der anderen Stützpunkte des Systems gemäß F i g. 2 verbunden sind. Die Membran 2 trägt im Zentrum einen Teller 7. der mit einem Stößel 8 und dem daran befestigten Teller 16 zum Tragen des Spiegels und mit einem Stößel 9 zur Aufbringung der berechneten Zusatzkraft verbunden ist. Die Stößel 8 und 9 sind mit Hilfe von Membranen 10 und 11 gegen das Gehäuse 1 abgedichtet.
• Infolge der Aufteilung in die zwei Kammern 3 und 4 durch die Membran 2 entstehen zwei voneinander abgeschlossene Drucksysteme. Befände sich der Spiegel 15 stets in waagerechter Lage, dann wären nur die unteren Kammerhälften 4 erforderlich. Da der Spiegel aber gekippt werden muß und bei Schräglage das Eigengewicht der hydraulischen Flüssigkeit zusätzlich auf die Stützpunkte wirkt, und zwar unterschiedlich abhängig von ihrer Lage, sind die oberen Kammerhälften 3 vorgesehen, die diesen zusätzlichen Druck kompensieren.
• Die als Stößel 9 ausgebildete untere Fortsetzung des Drucktellers 7 ist mit dem permanentmagnetischen Anker 12 eines Linearmotors nach Art eines Tauchspulensystems verbunden. Der Anker 12 läuft im Luftspalt zweier Spulen 13, die fest mit dem Gehäuse 1 verbunden sind. Der Anker 12 übt eine Kraft in Richtung des Stößels 9 aus, die proportional zum Spulenstrom ist. Diese Kraft wird über den Stößel 9, den Teller 7, den Stößel 8 und den Tragteller 16 direkt auf die Rückseite des Spiegels übertragen und somit der Tragkraft des Tellers 7 des passiven hydraulischen Stützsystems überlagert.
• Das vorteilhafte Verhalten eines solchen Systems geht aus einer Betrachtung des Kraftgleichgewichtes hervor. Es gilt im ungestörten Zustand P = Gewicht des Spiegels pi = Lastanteil des i-ten Stützpunktes N = Gesamtzahl der Stützpunkte.
• Soll, um eine Deformation hervorzurufen. ein Stützpunkt j mit einer Zusatzkraft dp beaufschlagt werden, dann folgt wegen P= const.: LiP (2) sagt aus, daß mit der Zusatzlast dp an irgend einem Stützpunkt alle anderen Punkte um N entlastet werden. Wirkt dp genau am Stützpunkt j, dann erhöht sich pj um Da das passive Unterstützungssystem selbsteinstellend ist, erfolgt die Erniedrigung der übrigen Stützkräfte um dp/N automatisch. Im Endzustand wird also der Spiegel am Stützpunkt in der gewünschten Weise deformiert, die übrigen Punkte bleiben davon praktisch unberührt.
• Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 und 2 sind die aktiv auf die einzelnen Stützpunkte aufgebrachten Zusatzkräfte dem Strom durch die Spulen der den jeweiligen Stützpunkten zugeordneten Linearmotoren proportional und brauchen deshalb nicht durch zusätzliche Sensoren gemessen werden. Es ist jedoch auch möglich die Linearmotoren durch andere Aktuatoren zu ersetzen, die beispielsweise ein selbsthemmendes Getriebe enthalten. Der dann nötige Sensor zur Messung der Zussatzkraft ist in einem solchen Falle zwischen dem Akutator und dem Stößel 9 anzuordnen. Er mißt jedoch allein die zur gezielten Spiegeldeformation nötige Zusatzkraft und nicht die vom Druckteller 7 des passiven hydraulischen Systems aufgebrachte Kraft zur Kompensierung der Grundlast des Spiegels.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Unterstützungssystem für Teleskopspiegel mit einer aktiven Lagerung, von der die von den einzelnen Stützpunkten auf den Spiegelkörper ausgeübten Kräfte über Aktuatoren individuell einstellbar bzw. steuerbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zusätzlich zur aktiven Lagerung des Unterstützungssystems eine passive, astatische Lagerung (1-8) vorgesehen ist, die den Hauptteil der Spiegellast aufnimmt und deren den Spiegel (15) tragende Stützen (8) kraftschlüssig mit den Aktuatoren (12) der aktiven Lagerung (12/13) verbunden sind.
2. 2. Unterstützungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktuatoren Linearmotoren (12/13) verwendet sind.
3. 3. Unterstützungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die passive Lagerung als lastverzweigtes System ausgebildet ist, bei dem jeweils mehrere Stützpunkte hydraulisch miteinander verbunden sind, und daß die Verbindungsleitungen (5, 6) Drosseln enthalten.

   Beim Bau von astronomischen Spiegelteleskopen muß dafür Sorge getragen werden, daß der Spiegel in jeder Lage, d. h. unabhängig von der Neigung seiner Fläche zur Richtung der Schwerkraft, seine Form unverändert beibehält. Die üblichen Anforderungen an die Formtreue liegen bei wenigen 10 nm RMS.

   Dazu ist eine spezielle Lagerung des Spiegels erforderlich, die außerdem die Aufgabe hat, Deformationen vom Spiegel fernzuhalten, die unvermeidbar von der Trägerstruktur infolge äußerer Kräfte und Temperaturschwankungen eingeleitet werden. Bei großen Teleskopen liegen diese Deformationen im Bereich von einigen 100 llm, liegen also um mehrere Größenordnungen über der gewünschten Formtreue.

   Bisher wurden zur Lagerung solcher Spiegel fast ausschließlich passive Unterstützungssysteme zur Aufnahme der achsialen und der radialen Spiegellast verwendet. Bekannte achsiale Unterstützungssysteme, wie sie z. B. in den ZEISS-lnformationen, 27 (1982), Heft 94, Seite 8-9 beschrieben sind, verteilen die Stützkräfte gleichmäßig durch hinreichend viele einzelne Stützpunkte auf der Rückseite des Spiegels. Anzahl und Anordnung der Stützpunkte hängen von der Größe, dem Gesamtgewicht und der Biegesteifigkeit des Spiegels ab. Die Funktionsfähigkeit solcher astatischer passiver Lagerungen stößt bei Spiegeldurchmessern, die etwa 3 m übersteigen, an ihre Grenzen. Da außerdem die Tendenz besteht, die Spiegel aus wirtschaftlichen Gründen immer dünner zu machen, wodurch jedoch die Biegesteifigkeit abnimmt, und zusätzlich die Ansprüche an die Formtreue der Spiegel zu steigern, wird es zunehmend schwierig astatische Unterstützungssysteme zur Lagerung großer Spiegel einzusetzen.

   Um die Formtreue des Spiegels auch bei größeren Durchmessern und geringeren Dicken sicherzustellen ist bereits vorgeschlagen worden, eine sogenannte »aktive« Lagerung einzusetzen, in der die auf die Stützpunkte des achsialen Unterstützungssystems wirkenden Kräfte von einem Computer berechnet und durch Aktuatoren erzeugt und auf die Spiegelrückseite aufgebracht werden, deren Kräfte entsprechend der vom Computer berechneten Verteilung individuell geregelt werden.

   Bei richtiger Einstellung der von den Aktuatoren ausgeübten Kräfte kann der Spiegel gezielt im Sinne einer Wiederherstellung der gestörten Formtreue deformiert werden. Dabei können zusätzlich auch Restfehler aus der Bearbeitung der Spiegeloberfäche ausgeglichen werden.

   Ein solches Unterstützungssystem ist z. B. aus den Proceedings of the IAU Colloquium Nr. 79: »Very Large Telescopes, their Instrumentation and Programs« Garching, 9.- 12. April 1984, Seite 23-40 bekannt. Die dort vorgeschlagenen Aktuatoren bestehen aus zwei wesentlichen Elementen: einem Sensor, der auf die auf den jeweiligen Stützpunkt wirkende Teillast des Spiegels mißt, und einer elektromagnetischen Einrichtung in Form eines motorisch angetriebenen Hebelsystems, das die vorausberechnete Kraft aufbringt. Mit Hilfe einer Regeleinrichtung wird der Motor so verstellt, daß die vom Sensor gemessene Kraft einem berechneten Wert entspricht, der sich aus der passiven Grundlast und der für die Deformation nötigen Zusatzkraft zusammensetzt.

   Da bei diesem System der zu regelnde Teilbetrag der Stützkraft sehr klein ist und etwa nur 1%o der Gesamtkraft eines Stützpunkts ausmacht, der zur Kraftsteuerung eingesetzte Sensor aber die Gesamtkraft mißt, werden sehr hohe Anforderungen an Genauigkeit und zeitliche Stabilität des Sensors gestellt, die sich nicht voll erfüllen lassen. Demzufolge ist es schwierig, die vorausberechnete ideale Kraftverteilung tatsächlich auf die Spiegelrückseite aufzubringen. Diese Schwierigkeit ist insbesondere dadurch bedingt, daß eine gezielt aufgebrachte Zusatzkraft an einem Punkt eine Änderung der Kräfte aller anderen Punkte erfordert, die sich nicht von selbst, sondern wiederum nur durch aktive Steuerungen aller anderen Punkte einstellt.

   Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dies Problem zu beheben und ein aktives Unterstützungssystem zu schaffen, das eine möglichst genaue Umsetzung der berechneten, für die Deformation des Spiegels nötigen Zusatzkraftverteilung auf die Spiegelrückseite möglich macht.

   Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches dadurch gelöst, daß zusätzlich zur aktiven Lagerung des Unterstützungssystems eine passive, astatische Lagerung vorgesehen ist, die den Hauptteil der Spiegellast aufnimmt und deren den Spiegel tragende Stützen kraftschlüssig mit den Aktuatoren der aktiven Lagerung verbunden sind.